JP2000093753A

JP2000093753A - 濾過膜モジュ―ル装置の運転方法および濾過膜モジュ―ル装置

Info

Publication number: JP2000093753A
Application number: JP11202823A
Authority: JP
Inventors: Masahide Taniguchi; 雅英谷口; Shinichi Minegishi; 進一峯岸; Keiichi Ikeda; 啓一池田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2000-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】処理原水加圧式の濾過膜モジュール装置を運転
するにあたり、高い処理量を長期にわたって安定して得
ることが可能な濾過膜モジュール装置の運転方法および
濾過膜モジュール装置を提供する。【解決手段】処理原水を加圧して濾過膜モジュールに送
り水の浄化を行う濾過膜モジュール装置の運転方法にお
いて、処理原水の水質指標に応じて時間あたりの処理量
を変化させることを特徴とする濾過膜モジュール装置の
運転方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、処理原水を加圧し
て濾過膜モジュールに送り水の浄化を行う濾過膜モジュ
ール装置の運転方法および濾過膜モジュール装置に関す
るものであり、さらに詳しくは、濾過膜モジュールを用
いて固液分離を行う濾過膜モジュール装置の運転方法お
よび濾過膜モジュール装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高分子膜を用いた分離操作が盛ん
に行われるようになってきている。なかでも、水処理へ
の展開は、めざましいものがあり、超純水の製造や、海
水、灌水淡水化に用いられる逆浸透法の技術は、多くの
実績が得られており、今後も展開が期待される。さら
に、最近では、サブミクロンオーダーの分離を行う精密
濾過法や限外濾過法の展開が進められており、これらで
は、家庭用浄水器をはじめ、生活廃水処理、上水製造、
工業用水製造、食品産業等、多岐にわたって展開されつ
つある。特に、濾過膜を用いることによって大腸菌など
を完全に阻止でき、安定した処理水質を維持することが
可能であることから、浄水場における飲料水製造にも積
極的な展開がはかられつつある。なお、濾過膜の形態と
しては、平膜積層型、スパイラル型、チューブラー型、
中空糸膜型などが挙げられるが、とくに、飲料水製造に
おける精密濾過法／限外濾過法では、処理量が多いた
め、単位容積当たりの有効膜面積が大きくとれる中空糸
膜が用いられるのが一般的になりつつある。

【０００３】一般に、これらの濾過膜モジュールを用い
た水処理装置では、濾過運転を続けるにしてがって濾過
膜に堆積した汚れ物質により、濾過膜が目詰まりを起こ
したりして濾過抵抗が増大し、濾過が困難になってく
る。濾過は、時間あたりの濾過水量を一定にする「定量
運転」と濾過差圧を一定で運転する「定圧運転」のどち
らかで行うのがふつうである。

【０００４】定量運転の場合は、濾過抵抗の増大に従っ
て濾過差圧が上昇して定量を維持する。また、定圧運転
の場合は、濾過抵抗の増大に従って時間あたりの濾過水
量が減少してくる。したがって濾過運転を行って濾過抵
抗が増大し、濾過ができなくならないようにするために
定期的な物理洗浄や薬液洗浄が行われる。

【０００５】物理洗浄は、一般的には、透過水側から原
水側へ濾過時の逆圧をかけることによって膜の原水側に
堆積した汚れを浮き上がらせる「逆洗」と、原水側にエ
アーを供給し、その気泡によって中空糸膜を揺動させ、
膜表面の汚れを剥離させる「エアーバブリング洗浄」が
挙げられ、これらは、装置の運転の一部として定期的に
行われるのが一般的である。また、薬液洗浄は、原水性
状などに応じた酸やアルカリなどの薬液を濾過膜へ導入
して膜に堆積したり吸着したりした汚れを除去するもの
である。薬液洗浄は、物理洗浄よりも低頻度で行うもの
で、物理洗浄を行っても性能が十分に回復しなくなった
場合に行うのが一般的である。薬液洗浄の場合は、その
頻度が低いことから手動で行われることも多いが自動で
行われる場合もある。

【０００６】ここで行われる洗浄を運転の中で行うにあ
たっては、これまで、明確な方針は得られていなかった
ため、経験的に数十分〜数時間の一定間隔を設定し、定
期的に洗浄を行うという濾過−洗浄の反復運転を行って
きた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この運
転方法では、原水水質が安定している場合はそれほど問
題にはならないが、たとえば河川水のような降雨などに
よって水質が変動しやすい原水を処理するような場合
は、汚れ物質の膜面への堆積の程度が大きく変動するた
め、原水水質が悪い場合は、濾過抵抗が急激に増大し、
濾過の継続が困難になる。定圧運転の場合は、濾過水量
が急激に減少することになるだけであるが、定量運転の
場合は、所定濾過流量を発現させるために濾過圧力を上
げていくような制御を行う。その結果、最悪の場合、配
管などの損傷を引き起こして重大な事故になりかねない
ため、運転管理が不可欠となり、長期の安定した運転継
続を困難にしていた。

【０００８】本発明は、濾過膜モジュール装置を運転す
るにあたり、高い処理量を長期にわたって安定して得る
ことが可能な濾過膜モジュール装置の運転方法および濾
過膜モジュール装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の本発明の目的は、
「処理原水を加圧して濾過膜モジュールに送り水の浄化
を行う濾過膜モジュール装置の運転方法において、処理
原水の水質指標に応じて時間あたりの処理量Ｑを変化さ
せることを特徴とする濾過膜モジュール装置の運転方
法」により基本的に達成される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明者らが濾過膜モジュール装
置の運転検討を行った結果、濾過膜に高い圧力をかけた
場合、膜に汚れ物質が深く入り込むため、洗浄しても十
分に回復しないことが判明した。また、従来、水質の悪
い原水が流入してきた場合のことを考えて洗浄頻度をあ
げるのが一般的にとられてきた方策であるが、この方法
について本発明者らが検討を行った結果、洗浄によって
も膜表面が劣化したり、膜素材の強伸度が低下するた
め、洗浄頻度を上げることも膜寿命を短くするという結
果が得られた。

【００１１】これらの結果に鑑み、鋭意検討を行った結
果、本発明の濾過膜モジュールの運転方法は、処理原水
の水質指標に応じて時間あたりの処理量Ｑを変化させる
ことを特徴とするものである。

【００１２】ここで、本発明に適用可能な従来の濾過膜
モジュール装置の一例を図２に示す。さらに、図１に
は、本発明を適用した濾過膜モジュール装置の一例を示
す。

【００１３】図２では、原水供給口９から原水タンク２
に供給された原水を原水供給ポンプ３によって濾過膜モ
ジュール１へ送り、透過水を透過水ライン１１から得
て、透過水タンク５を通して透過水取水口１０から濾過
された水を得る構造になっている。ここで、流量センサ
８の情報に基づく制御バルブ７の調節によって、原水流
量を一定にコントロールする仕組みになっている。

【００１４】一方、図１では、水質検査装置４からの情
報をコントローラー１６に送り、流量センサ８の情報と
併せて演算した流量設定値に基づいて制御バルブ７で原
水流量を制御するものである。

【００１５】本発明で述べるところの「水質指標」と
は、水質の程度，水中に含有される物質量を定量的に示
すための値であり、比重、粘度、色度、濁度、微粒子数
濃度、ＦＩ、電気伝導度、ＢＯＤ、ＣＯＤ、ＳＳ濃度な
ど処理原水中に含有される物質量として様々な項目があ
げられ、その他、金属や有機物など特定溶質濃度も本発
明の水質指標として適用することができる。これらのど
の水質指標を適用するかは、原水性状によって一種類も
しくは複数種類を適用することが可能である。この中で
も、本発明の目的とする浄水処理に用いる場合は、濁度
や色度を用いると、河川水、湖沼水、地下水、海水に適
用するのに水質変化を最も簡便に察知することができる
ため好ましい。あるいは、上記河川水、湖沼水、地下
水、または海水を処理した水に適用することも可能であ
る。さらに、本発明の課題であるところの膜の目詰まり
の原因物質について検討を行ったところ、有機物の影響
が大きく、とくに溶解性有機物であるフミン質が大きな
影響を及ぼすことがわかった。さらに検討を行ったとこ
ろ、膜の細孔よりも小さなフミン質は膜表面に吸着はす
るものの目詰まりにはあまり影響を及ぼさないことも判
明した。フミン酸の濃度については、一般にＤＯＣ（溶
解性有機物量）の測定によって知ることができる。ＤＯ
Ｃは０．５〜１μｍ程度のフィルターでろ過した液のＴ
ＯＣ（全有機炭素量）を測定することによって得ること
ができる。また、濃度を直接得る手段ではないが、上記
河川水などの場合、一般に共役二重結合の数とフミン質
濃度に直線関係があるため、共役二重結合を測定するこ
とによってもフミン質濃度を知ることができる。共役二
重結合の測定方法としては波長２６０ｎｍの吸光度が一
般的である。

【００１６】ここで処理原水の水質指標を測定する位置
としては、好ましくは、原水タンク２から濾過膜モジュ
ール１までの原水流路のなかでなるべく濾過膜モジュー
ル１に近いところであるが、測定する項目によってはイ
ンラインで測定することが困難であるため、このような
場合は、原水タンク２からサンプリングして測定しても
かまわない。

【００１７】ここで、原水の水質指標に応じて処理水量
を変化させるにあたり、定性的には、水質が悪化すると
処理水量を減らす方法を採用することができる。それ以
外には特に限定されるものではないが、最も簡便な方法
としては、処理水質指標があらかじめ決定された範囲内
では、濾過膜モジュール装置の時間あたりの処理量Ｑを
一定に設定して使用し、該範囲を超えた場合に、該濾過
膜モジュール装置の時間あたりの処理量Ｑを標準処理量
Ｑ０よりも小さなあらかじめ定められた値Ｑ１に減じる
方法を採用する方法があげられる。ここで、Ｑ１として
は、Ｑ０よりも小さければ特に制限されるものではない
が、変化させる意義からして、Ｑ０の２分の１以下にす
ることが好ましく、さらにＱ１を０にすることにより本
発明の目的とする効果を最も簡便かつ確実に得ることが
できる。

【００１８】また、より高度な制御方法としては、例え
ば、処理原水の水質指標をＣ、時間当たりの処理量をＱ
［ｍ³／ｈ］とするとき、Ｑ＝Ｋ／Ｃ（ただし、Ｋは定数）となるように、処理量Ｑを変化させる方法をとることに
より、処理原水の水質に応じて細やかな制御ができ、本
発明の効果を十分に発現できるため好ましい。

【００１９】ここで、定数Ｋを決定するにあたっては、
実際に処理対象原水を用いて濾過運転試験を行い、経験
的に求めるものであるが、概して、水質がよい場合にお
ける水質指標をＣ０、標準処理量をＱ０としたとき、Ｑ
０×Ｃ０≦Ｋ≦２×Ｑ０×Ｃ０が好ましい。また、時間
当たりの最大処理量を設定しておくと、予想外に水質が
良い場合に処理量Ｑが必要以上に大きくなることを防止
できるのでさらに好ましい。

【００２０】ところで、本発明における単位時間あたり
の濾過水量を変化させる具体的手段の例としては、図２
に示すように、原水流量制御バルブ７を用いて濾過膜モ
ジュール１への流量を制御する方法や、図３に示すよう
に、膜に濾過差圧を与えるためのポンプ動力を制御した
り、図４に示すように、原水循環バルブ１２を制御する
ことにより処理原水の濾過膜モジュール１への流量を制
御する方法が挙げられる。

【００２１】濾過膜モジュールの運転方法としては、一
般に、処理原水を加圧して濾過膜モジュールに送り、す
べて濾過処理する全濾過法と、処理原水の一部を濃縮水
として還流もしくは排出するクロスフロー濾過が挙げら
れるが、本発明の適用にあたっては特に制限されるもの
ではない。ただし、濾過に対する動力費の面からする
と、処理原水をすべて濾過する方式がエネルギーロスが
少なく好ましい。さらに、クロスフロー濾過において濾
過膜モジュールの前において凝集処理などの前処理を行
う場合は、濾過膜モジュールの供給原水に対して既にコ
ストがかかっているので濃縮水を排水するとコストアッ
プにつながり好ましくない。なお、クロスフロー濾過の
場合は、還流／排出水量を変化させることによって、本
発明におけるところの単位時間あたりの濾過水量を変化
させる具体的手段とすることができる。

【００２２】また、本発明を適用する濾過膜モジュール
は、特に限定されるものではなく、中空糸膜型、チュー
ブラー型、平膜積層型、回転円盤型などを用いることが
できるが、浄水処理用途では、装置体積あたりの膜面積
が大きくとれる中空糸膜型が好ましい。

【００２３】中空糸膜モジュールは、一般的には、中空
糸膜と中空糸膜の間、および中空糸膜とモジュール容器
の間を気密にシール（ポッティング）して開口させた形
状をとる。これによって、中空糸膜の外部と内部を中空
糸膜自体によって隔離し、膜を通して分離処理を行うこ
とができる。中空糸膜モジュールの構造としては、中空
糸膜の両端部をポッティングした後、両端から開口する
「両端開口型」、両端をポッティングした後に片方だけ
を開口させる「片端開口型」、中空糸膜をＵ字型にして
中空糸膜端部を片方だけにして開口させる「Ｕ字型」、
Ｕ字部を切断した上で、中空糸膜一本ずつを単独で封止
した状態の「くし型」モジュールがあるが、濾過方向と
しても中空糸膜の内側に処理原水を流す場合（内圧式）
と外側に流す場合（外圧式）がある。平膜積層モジュー
ルの場合は、一般には、膜を封筒状にして、膜の内側に
流路材を設けて外側と内側を隔離したエレメントタイプ
と膜と流路材を交互に積層した上で、一体化したユニッ
トタイプのモジュール形状が挙げられる。なお、いずれ
のモジュールにおいても、膜の間に圧力差（濾過差圧）
を与える方法としては、原水側を加圧しても良いし、透
過水側を吸引しても良い。ただし、原水タンクに濾過膜
モジュールを浸漬するような場合は、透過水側から吸引
するのが一般的である。

【００２４】本発明において対象となる濾過膜として
も、特に限定されるものではないが、高分子膜を用いた
中空糸膜の適用が効果的である。これらの膜素材の具体
例としてポリアクリロニトリル多孔質膜、酢酸セルロー
ス多孔質膜、ポリイミド多孔質膜、ポリエーテルスルホ
ン多孔質膜、ポリフェニレンスルフィドスルホン多孔質
膜、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜、ポリプロピ
レン多孔質膜、ポリエチレン多孔質膜等の多孔質膜や、
これら多孔質膜に機能層として架橋型シリコーン、ポリ
ブタジエン、ポリアクリロニトリルブタジエン、エチレ
ンプロピレンラバー、ネオプレンゴム等のゴム状高分子
を複合化した複合糸膜や架橋型シリコーンチューブなど
の均質膜を挙げることができる。これらの素材は、対象
処理原水や使用条件によって選択されるべきものである
が、特に水処理に関しては、親水性が高いポリアクリロ
ニトリルや酢酸セルロースを素材とする膜が好適であ
る。平膜の場合の膜厚については特に制限されるもので
はないが、厚すぎると濾過抵抗が大きくなり、薄すぎる
と膜が強度不足になりやすいので、素材や膜構造に応じ
て適切な膜厚を選択することが好ましい。中空糸膜の内
径、外径としても特に制限されるものではなく、１ｍｍ
以下の内径を有するものから数ｍｍ以上の内径を有する
ものでも適用可能である。

【００２５】

【実施例】以下実施例をもって本発明をさらに具体的に
説明する。ただし、本発明はこれにより限定されるもの
ではない。実施例１濾過膜モジュール１として、ポリアクリロニトリルを素
材とする平均細孔径０．０１μｍ、外径６８０μｍ、内
径４００μｍの多孔質中空糸膜３７００本をＵ字状にし
た中空糸膜有効長さ８００ｍｍ、中空糸膜全長８６０ｍ
ｍのＵ字型中空糸膜モジュールを用い、水質指標として
原水流路に水質検査装置４としてレーザー式濁度計を装
備し、その濁度測定値をコントローラー１６に出力し、
その出力に応じて原水供給ポンプ３の流量を制御する構
造になっている図３に示すような濾過膜モジュール装置
を作製した。この装置を用い、原水濁度Ｃ［ｍｇ／ｌ］
に応じて時間あたりの処理量Ｑ［ｍ³／ｈ］をＱ＝５／
Ｃとなるようにポンプ流量を制御するようなプログラム
で、琵琶湖水を用いて濾過運転を行った。

【００２６】このとき、物理洗浄として濾過運転を５ｈ
行う毎に濾過運転を中断してエアー排出バルブ１５およ
びエアー供給バルブ１４を開いて、エアー供給口１３か
らエアーを供給し、流量２０リットル／分で１分間のエ
アースクラビング洗浄を行った後、バルブ１３を通して
原水を排出し、濾過膜モジュール１へ再び処理原水を供
給して再度濾過運転を行うという方法で、反復濾過運転
試験を行った。

【００２７】運転の１０００時間経過までの結果を図５
に示す。この間の原水濁度は平均２８ｐｐｍ、最大４５
ｐｐｍであった。１０００時間での積算濾過水量は２４
８ｍ３で、物理洗浄直後の濾過差圧（原水側の圧力−透
過水側の圧力）の上昇は約１５ｋＰａと低く抑えられ
た。実施例２実施例１と同じろ過膜モジュールを用いて、原水タンク
２に水質検査装置４として湿式酸化方式ＴＯＣ計を備
え、そのＴＯＣ測定値をコントローラー１６に出力し、
その出力に応じて原水原水供給ポンプ３の流量を制御す
る構造になっている図６に示すような濾過膜モジュール
装置を作製した。この装置を用い、原水ＴＯＣ濃度Ｃ
［ｍｇ／ｌ］に応じて時間あたりの処理量Ｑ［ｍ³／
ｈ］をＱ＝０．５／Ｃとなるようにポンプ流量を制御す
るようなプログラムで、実施例１と同様の方法で濾過運
転試験を行った。

【００２８】運転の５００時間経過までの結果を図７に
示す。この間の原水ＴＯＣ濃度は平均２．４ｍｇ／ｌ、
最大３．７ｍｇ／ｌであった。５００時間での積算濾過
水量は１０８ｍ３で、物理洗浄直後の濾過差圧（原水側
の圧力−透過水側の圧力）の上昇は約１２ｋＰａと低く
抑えられた。比較例１実施例１と同様の濾過装置を用いて、時間あたりの濾過
処理量を０．２ｍ³／ｈの定量にする他は、実施例１と
同じ濾過運転を行ったところ、１０００時間経過時点で
の総処理水量は２００ｍ³で、図５に示すように、濁度
の高い原水が流入してきた際に、急激な差圧上昇が見ら
れ、１０００時間経過時点での差圧上昇は、２５ｋＰａ
と高かった。比較例２実施例２と同様のろ過装置を用いて、時間あたりの濾過
処理量を０．２ｍ³／ｈの定量にする他は、実施例２と
同じ濾過運転を行ったところ、５００時間経過時点での
総処理水量は１００ｍ³で、図７に示すように、５００
時間経過時点での差圧上昇は、１８ｋＰａと高かった。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、処理原水を加圧して濾過膜モ
ジュールに送り水の浄化を行う濾過膜モジュール装置の
運転方法において、処理原水の水質指標に応じて時間あ
たりの処理量を変化させることにより、濾過の洗浄回復
性が高く、長期間にわたって安定に濾過運転が可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る濾過膜モジュール装置の一例の回
路図である。

【図２】従来の濾過膜モジュール装置の一例の回路図で
ある。

【図３】本発明に係る濾過膜モジュール装置の他の一例
の回路図である。

【図４】本発明に係る濾過膜モジュール装置のさらに他
の一例の回路図である。

【図５】本発明に係る実施例１と比較例１の運転の経時
変化を示す図である。

【図６】本発明に係る濾過膜モジュール装置の他の一例
の回路図である。

【図７】本発明に係る実施例２と比較例２の運転の経時
変化を示す図である。

【符号の説明】

１：濾過膜モジュール２：原水タンク３：原水供給ポンプ４：水質検査装置５：透過水タンク６：圧力計７：原水流量制御バルブ８：流量センサ９：原水供給口１０：透過水取水口１１：透過水ライン１２：原水循環バルブ１３：エアー供給口１４：エアー供給バルブ１５：エアー排出バルブ１６：コントローラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理原水を加圧して濾過膜モジュールに送
り水の浄化を行う濾過膜モジュール装置の運転方法にお
いて、処理原水の水質指標に応じて時間あたりの処理量
Ｑを変化させることを特徴とする濾過膜モジュール装置
の運転方法。
【請求項２】前記処理原水の水質指標が、濁度、微粒子
数濃度、有機物濃度もしくは色度から少なくとも選ばれ
たものであることを特徴とする請求項１に記載の濾過膜
モジュール装置の運転方法。
【請求項３】前記処理原水が、河川水、湖沼水、地下
水、または海水、もしくは上記河川水、湖沼水、地下
水、または海水を処理した水であることを特徴とする請
求項１または２に記載の濾過膜モジュール装置の運転方
法。
【請求項４】前記処理原水の水質指標をＣ、時間当たり
の処理量をＱ［ｍ³／ｈ］とするとき、Ｑ＝Ｋ／Ｃ（ただし、Ｋは定数）となるように、処理量Ｑを変化させることを特徴とする
請求項１〜３のいずれかに記載の濾過膜モジュール装置
の運転方法。
【請求項５】前記処理原水の水質指標があらかじめ決定
された範囲内では、濾過膜モジュール装置の時間あたり
の処理量Ｑを一定に設定して使用し、上記の範囲を超え
た場合に、前記濾過膜モジュール装置の時間あたりの処
理量Ｑをあらかじめ定められた値に減じることを特徴と
する請求項１〜４のいずれかに記載の濾過膜モジュール
装置の運転方法。
【請求項６】前記処理原水の水質指標があらかじめ決定
された範囲を超えた場合に、処理量Ｑを０にすることを
特徴とする請求項７に記載の濾過膜モジュールの運転方
法。
【請求項７】前記濾過膜が中空糸膜であることを特徴と
する請求項１〜６のいずれかに記載の濾過膜モジュール
装置の運転方法。
【請求項８】前記時間あたりの処理量Ｑを変化させる方
法が、処理原水供給ポンプの動力調節によって行うこと
を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の濾過膜モ
ジュール装置の運転方法。
【請求項９】前記時間あたりの処理量Ｑを変化させる方
法が、濾過膜モジュールの前段における処理原水の少な
くとも一部の環流によって行うことを特徴とする請求項
１〜８のいずれかに記載の濾過膜モジュール装置の運転
方法。
【請求項１０】前記濾過膜モジュール装置の運転方法に
おいて、供給された処理原水を全量濾過することを特徴
とする請求項１〜９のいずれかに記載の濾過膜モジュー
ル装置の運転方法。
【請求項１１】処理原水を加圧して濾過膜モジュールに
送り水の浄化を行う濾過膜モジュール装置において、処
理原水の水質測定器を備えるとともに、該水質測定器に
よる水質指標の測定値に応じて時間あたりの処理量を変
化させる機構を有することを特徴とする濾過膜モジュー
ル装置。
【請求項１２】請求項１〜１０のいずれかに記載の濾過
膜モジュール装置の運転方法を用いたことを特徴とする
造水方法。